CN113871506A - 基于气凝胶隔热和相变控温的光伏-热电耦合发电系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于气凝胶隔热和相变控温的光伏‑热电耦合发电系统及工作方法，该耦合发电系统由气凝胶隔热层、光伏电池、相变材料控温层、隔热转轴、热电元件、热沉以及电动机组成；本发明通过电动机驱动耦合发电系统转动，实现发电系统24小时连续高效发电；白天光照期，带有气凝胶隔热层的光伏电池面向天空，利用太阳能实现光伏发电，相变储热和温差发电等功能；夜晚非光照期，电动机驱动发电系统翻转，热沉端面向天空，利用相变材料储存的热量和热沉表面的辐射制冷，实现热电材料持续高效发电的功能；本发明集合气凝胶的隔热作用，相变材料的储热/控温作用和夜晚天空的辐射制冷作用，可实现太阳能的高效利用，显著提升光伏‑热电系统的发电效率。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能光伏发电、半导体温差发电、相变储能及辐射制冷等技术领域，特别涉及基于气凝胶隔热和相变控温的光伏-热电耦合发电系统及其工作方法。
背景技术
由于环境污染问题和化石能源短缺问题的加剧，发展清洁可再生能源，逐步替换化石燃料已经成为全世界的共识。太阳能作为目前最具可再生和发展潜力的能源之一，其高效利用受到了广泛关注。利用光伏电池的光电效应实现光-电转换，是目前太阳能利用领域的研究热点，也是我国太阳能利用的重要发展方向。但是目前光伏发电技术的光-电转换效率通常在20％左右，剩余80％的太阳辐射能在光伏电池内转换成热量，这部分热量如果不能合理管理利用，不仅造成能源浪费，而且会引起光伏电池表面温度升高，导致光伏发电效率降低。相变材料通过固-液相变可以实现储热和控温的作用，将相变材料引入光伏电池表面的控温，可以有效率降低电池表面温度，提升光电转换效率。为了充分利用相变材料储存的热量，在相变材料的另外一侧耦合热电转换器件，形成光伏-相变材料-热电耦合发电系统，使相变材料储存的热量在无光照期，通过热电元件进行温差发电，可以显著提升太阳能的利用率。
光伏-相变材料-热电耦合发电系统具有结构简单、运行维护方便、发电效率高等优点，在太阳能高效利用领域具有广泛的应用前景。然而，现有的光伏-相变-热电耦合系统，仍然存在一系列问题：在白天光伏表面散热严重，大量太阳辐射能没有被相变材料储存，而是散失到空气中，造成能源浪费；在夜晚由于光伏表面的散热作用，相变材料储存的热量不能充分利用，大部分热量通过光伏电池表面散失，通过热电元件的热流量非常低，造成发电量降低；此外，夜晚地表温度较高也会引起热电冷端的散热性能降低，造成热电效率下降。上述问题，造成白天的太阳辐射能不能充分利用，夜晚热电元件发电效率低，甚至不发电的问题，无法实现热电转换系统的24小时连续高效发电。
发明内容
本发明的目的在于克服传统光伏-相变-热电耦合发电系统的设计缺陷，提供一种基于气凝胶隔热和相变控温的光伏-热电耦合发电系统及其工作方法，通过气凝胶的隔热作用来阻止太阳辐射能的损失，提高太阳能利用率；通过电动机驱动的翻转结构，在夜晚使热沉散热端面向天空，利用辐射制冷降低热沉表面温度，提升热电器件的发电效率。该系统具有发电效率高、太阳能利用率高、可实现24小时连续发电等优点。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于气凝胶隔热和相变控温的光伏-热电耦合发电系统，所述系统包括气凝胶隔热层1、光伏电池2、相变材料控温层3、隔热转轴4、热电元件、热沉7和电动机8；其中，热电元件由陶瓷层5和位于陶瓷层5之间的热电引脚6组成，气凝胶隔热层1覆盖且固定在光伏电池2的受光面；相变材料控温层3固定在光伏电池2和热电元件的的热端之间，热沉7覆盖且固定在热电元件的冷端表面，隔热转轴4的一端穿插并且固定在相变材料控温层3的内部，另一端和电动机8相连。
所述气凝胶隔热层1表面积和光伏电池2的受光面表面积相同，采用隔热性能好，对太阳光谱透过率高的材料，起到隔绝光伏电池表面向外界散热的作用。
所述光伏电池2为GaInP/GaInAs/Ge三结砷化镓电池。
所述相变材料控温层3的相变材料为石蜡与泡沫铝或石蜡与泡沫铜复合相变材料，相变材料容器材料为铝或铜；相变材料控温层3用来吸收光伏电池2产生的热量，同时控制光伏电池2和热电元件热端的工作温度，起到储热和控温的作用。
所述陶瓷层5材料为氧化铝，所述热电引脚6材料为碲化铋。
所述隔热转轴4用于驱动耦合发电系统实现翻转，有光照周期内，气凝胶隔热层1和光伏电池2面向宇宙天空，无光照时，电动机8驱动隔热转轴，带动耦合发电系统翻转，热沉7面向宇宙天空。
所述热沉7的材料为铝或者铜，热沉7的扩展表面以翅片的形式存在，翅片表面涂有高发射率涂层，实现高效散热，提高热电转换效率，确保相变材料充分再生。
除了热沉7的散热面以外，其余外表面全部采用绝热处理，来减小散热损失，提高系统能量利用率。
所述基于气凝胶隔热和相变控温的光伏-热电耦合发电系统的工作方法，在白天光照期，覆盖有气凝胶隔热层1的光伏电池2面向阳光，太阳光透过气凝胶隔热层1入射到光伏电池2的上表面，一部分入射能通过光伏电池转换成电能对外输出，另一部分转换成热能被相变材料控温层3吸收，气凝胶隔热层1起到阻止光伏电池向外界散热的作用；相变材料控温层3内的相变材料吸收光伏电池2中产生的热量，发生固-液相变，起到储热和控温的作用，来降低光伏电池2表面温度，提升其发电效率；光伏电池2产生的热量大部分储存在相变材料控温层3内，小部分热量经由相变材料控温层3传递至热电元件，驱动热电元件进行温差发电，对外输出电能；从热电元件出来的剩余热量传递给热沉7；热沉7通过对流和辐射散热将这一部分余热散失到环境中，控制热电元件的冷端温度，维持热电转换的持续进行；
在夜晚无光照期，电动机8驱动隔热转轴4带动耦合发电系统翻转，使热沉7正对天空，此时，光伏电池2停止发电，相变材料控温层3发生液-固相变开始放热，实现相变材料再生；气凝胶隔热层1阻止光伏电池2表面向环境的散热，确保相变材料控温层3再生释放的绝大部分热量通过热电元件，提高热量利用率；进入热电元件的热量一部分通过温差发电转换成电能对外输出，另一部分传递给热沉7；热沉7利用天空的低温条件，通过辐射制冷的方式进行散热，降低热电元件的冷端温度，提升热电转换效率；耦合发电系统除了上下表面外和热沉7的侧表面以外，其余表面全部采用绝热处理，降低散热量，提高能源利用率。
本发明的效果：本发明基于气凝胶的隔热作用，相变材料的储热/控温作用和夜晚天空的辐射制冷作用，有效解决传统光伏-热电系统散热量高，太阳能利用不充分，夜晚热电转换效率低、甚至不发电等不足，不仅实现了太阳能的高效发电利用，而且系统可以实现24小时高效连续发电。该系统通过气凝胶的隔热作用来阻止太阳辐射能的损失，提高太阳能利用率；通过电动机驱动的翻转结构，在夜晚使热沉散热端面向天空，利用辐射制冷降低热沉表面温度，提升热电器件的发电效率；具有发电效率高、太阳能利用率高、可实现24小时连续发电等优点。
附图说明
图1为本发明基于气凝胶隔热和相变控温的光伏-热电耦合发电系统结构示意图。
图2为本发明的白天工作模型示意图。
图3为本发明的夜晚工作模式示意图。
其中:1-气凝胶隔热层、2-光伏电池、3-相变材料控温层、4-隔热转轴、5-陶瓷层、6-热电引脚、7-热沉、8-电动机。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细说明。
参阅图1，一种基于气凝胶隔热和相变控温的光伏-热电耦合发电系统，由气凝胶隔热层1、光伏电池2、相变材料层3、隔热转轴4、热电元件、热沉7和电动机8组成，其中，热电元件由陶瓷层5和位于陶瓷层5之间的热电引脚6组成。
下面详细介绍各部件之间的连接关系：
所述气凝胶隔热层1与光伏电池2的受光面紧密连接，连接面和光伏电池2的受光面面积相同；所述光伏电池2与相变材料控温层3紧密连接，连接面和光伏电池2的受光面面积相同，光伏电池为GaInP/GaInAs/Ge三结砷化镓电池；所述相变材料层3的相变材料为石蜡与泡沫铝或石蜡与泡沫铜复合相变材料，相变材料容器材料为铝或铜；所述热电元件包含上下两层陶瓷层5和热电引脚6，所述陶瓷层5材料为氧化铝，所述热电引脚6材料为碲化铋，热电元件的热端与相变材料控温层3底部紧密相连，热电元件两端陶瓷5的连接面积与相变材料层3的底部面积相同；所述热沉7与热电元件冷端紧密相连，热沉7连接面积与热电元件连接面积相同，热沉7的扩展表面以翅片的形式存在，热沉7的材料为铝或铜；所述隔热转轴4一端穿插并且固定连接于相变材料控温层3内部，另一端与电动机8转子相连，耦合发电系统可随隔热转轴4一起转动。
本发明一种基于气凝胶隔热和相变控温的光伏-热电耦合发电系统，可以在白天光照期和夜晚非光照期持续发电，不仅可以提高太阳能的利用率，而且可以显著提升光伏电池和热电元件的发电效率。其运行模式详细说明如下：
参阅图2，本发明在白天光照期，覆盖有气凝胶隔热层1的光伏电池2面向阳光，太阳光透过气凝胶隔热层1入射到光伏电池2的上表面，一部分入射能通过光伏电池转换成电能对外输出，另一部分转换成热能被相变材料控温层3吸收，气凝胶隔热层1起到阻止光伏电池向外界散热的作用；相变材料控温层3内的相变材料吸收光伏电池2中产生的热量，发生固-液相变，起到储热和控温的作用，来降低光伏电池2表面温度，提升其发电效率；光伏电池2产生的热量大部分储存在相变材料控温层3内，小部分热量经由相变材料控温层3传递至热电元件，驱动热电元件进行温差发电，对外输出电能；热电元件出来的剩余热量传递给热沉7；热沉7通过对流和辐射散热将这一部分余热散失到环境中，控制热电元件的冷端温度，维持热电转换的持续进行；
参阅图3，本发明在夜晚无光照周期，电动机8驱动隔热转轴4带动耦合发电系统翻转，使热沉7正对天空，此时，光伏电池2停止发电，相变材料控温层3发生液-固相变开始放热，实现相变材料再生；气凝胶隔热层1阻止光伏电池2表面向环境的散热，确保相变材料控温层3再生释放的绝大部分热量通过热电元件，提高热量利用率；进入热电元件的热量一部分通过温差发电转换成电能对外输出，另一部分传递给热沉7；热沉7利用天空的低温条件，通过辐射制冷的方式进行散热，降低热电元件的冷端温度，提升热电转换效率；耦合发电系统除了上下表面外和热沉7的侧表面以外，其余表面全部采用绝热处理，降低散热量，提高能源利用率。
以上对本发明实施例进行了详细介绍，本说明书结合具体个例对本发明进行阐述，具体实施方式和应用范围都不应该局限于本说明书，本说明书不应理解为对本发明的限制。
Claims (9)
1.一种基于气凝胶隔热和相变控温的光伏-热电耦合发电系统，其特征在于：所述系统包括气凝胶隔热层(1)、光伏电池(2)、相变材料控温层(3)、隔热转轴(4)、热电元件、热沉(7)和电动机(8)；其中，热电元件由陶瓷层(5)和位于陶瓷层(5)之间的热电引脚(6)组成，气凝胶隔热层(1)覆盖且固定在光伏电池(2)的受光面；相变材料控温层(3)固定在光伏电池(2)和热电元件的热端之间，热沉(7)覆盖且固定在热电元件的冷端表面，隔热转轴(4)的一端穿插并且固定在相变材料控温层(3)的内部，另一端和电动机(8)相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于气凝胶隔热和相变控温的光伏-热电耦合发电系统，其特征在于：所述气凝胶隔热层(1)表面积和光伏电池(2)的受光面表面积相同，采用隔热性能好，对太阳光谱透过率高的材料，起到隔绝光伏电池表面向外界散热的作用。
3.根据权利要求1所述的一种基于气凝胶隔热和相变控温的光伏-热电耦合发电系统，其特征在于：所述光伏电池(2)为GaInP/GaInAs/Ge三结砷化镓电池。
4.根据权利要求1所述的一种基于气凝胶隔热和相变控温的光伏-热电耦合发电系统，其特征在于：所述相变材料控温层(3)的相变材料为石蜡与泡沫铝或石蜡与泡沫铜复合相变材料，相变材料容器材料为铝或铜；相变材料控温层(3)用来吸收光伏电池(2)产生的热量，同时控制光伏电池(2)和热电元件热端的工作温度，起到储热和控温的作用。
5.根据权利要求1所述的一种基于气凝胶隔热和相变控温的光伏-热电耦合发电系统，其特征在于：所述陶瓷层(5)材料为氧化铝，所述热电引脚(6)材料为碲化铋。
6.根据权利要求1所述的一种基于气凝胶隔热和相变控温的光伏-热电耦合发电系统，其特征在于：所述隔热转轴(4)用于驱动耦合发电系统实现翻转，有光照周期内，气凝胶隔热层(1)和光伏电池(2)面向宇宙天空，无光照时，电动机(8)驱动隔热转轴，带动耦合发电系统翻转，热沉(7)面向宇宙天空。
7.根据权利要求1所述的一种基于气凝胶隔热和相变控温的光伏-热电耦合发电系统，其特征在于：所述热沉(7)的材料为铝或者铜，热沉(7)的扩展表面以翅片的形式存在，翅片表面涂有高发射率涂层，实现高效散热，提高热电转换效率，确保相变材料充分再生。
8.根据权利要求1所述的一种基于气凝胶隔热和相变控温的光伏-热电耦合发电系统，其特征在于：除了热沉(7)的散热面以外，其余外表面全部采用绝热处理，来减小散热损失，提高系统能量利用率。
9.权利要求1至8任一项所述的一种基于气凝胶隔热和相变控温的光伏-热电耦合发电系统的工作方法，其特征在于：在白天光照期，覆盖有气凝胶隔热层(1)的光伏电池(2)面向阳光，太阳光投过气凝胶隔热层(1)入射到光伏电池(2)的上表面，一部分入射能通过光伏电池转换成电能对外输出，另一部分转换成热能被相变材料控温层(3)吸收，气凝胶隔热层(1)起到阻止光伏电池向外界散热的作用；相变材料控温层(3)内的相变材料吸收光伏电池(2)中产生的热量，发生固-液相变，起到储热和控温的作用，来降低光伏电池(2)表面温度，提升其发电效率；光伏电池(2)产生的热量大部分储存在相变材料控温层(3)内，小部分热量经由相变材料控温层(3)传递至热电元件，驱动热电元件进行温差发电，对外输出电能；从热电元件出来的剩余热量传递给热沉(7)；热沉(7)通过对流和辐射散热将这一部分余热散失到环境中，控制热电元件的冷端温度，维持热电转换的持续进行；
在夜晚无光照期，电动机(8)驱动隔热转轴(4)带动耦合发电系统翻转，使热沉(7)正对天空，此时，光伏电池(2)停止发电，相变材料控温层(3)发生液-固相变开始放热，实现相变材料再生；气凝胶隔热层(1)阻止光伏电池(2)表面向环境的散热，确保相变材料控温层(3)再生释放的绝大部分热量通过热电元件，提高热量利用率；进入热电元件的热量一部分通过温差发电转换成电能对外输出，另一部分传递给热沉(7)；热沉(7)利用天空的低温条件，通过辐射制冷的方式进行散热，降低热电元件的冷端温度，提升热电转换效率；耦合发电系统除了热沉(7)的散热面外，其余外表面全部采用绝热处理，降低热量损失，提高能源利用率。
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